Een vliegwiel wordt net als een accu gebruikt om overtollige energie op te slaan. Een elektromotor drijft een zwaar vliegwiel -zie figuur 1- aan tot een hoog toerental is bereikt. Het wiel blijft vervolgens met zo min mogelijk energieverlies draaien tot er weer vraag is naar elektrische energie. Zodra die vraag er weer is, drijft het vliegwiel een dynamo aan.
Een Texaans bedrijf heeft in 2021 een vliegwiel gebouwd dat 100 kWh aan energie kan opslaan en in 5 uur maximaal 10% aan energie verliest.
a) Teken het hele energiestroomdiagram voor deze opslag van elektrische energie.
b) Bereken hoeveel energie er maximaal per seconde verloren gaat tijdens deze opslag.
In 5 uur wordt er maximaal 0,10×100 = 10 kWh aan energie verloren. Dat komt neer op een vermogen van 10/5 = 2 kW, oftewel een energieverlies van 2 kJ per seconde.
Tot nu toe verliezen vliegwielen tot naar verhouding 20 keer zo veel energie per seconde. Deze vliegwielen gebruiken elektromagneten om een vliegwiel vrij te laten zweven in de lucht, zodat deze met zo min mogelijk wrijving kunnen draaien. Het nieuwe vliegwiel gebruikt volgens de fabrikant permanente magneten om het vliegwiel te laten zweven.
c) Leg uit waarom dat een reden kan zijn voor het hogere rendement van het nieuwe vliegwiel.
In tegenstelling tot een permanente magneet heeft een elektromagneet energie nodig om een magneetveld in stand te houden. Deze energie gaat ten koste van de opgeslagen energie. Daardoor kan het rendement van een vliegwiel met permanente magneten inderdaad hoger zijn.
d) Leg met behulp van de formule voor kinetische energie uit hoe het ontwerp van het vliegwiel aangepast kan worden om meer energie op te slaan.
Voor kinetische energie geldt: Ekin = ½ mv2. Om het vliegwiel meer energie op te laten slaan, moet de massa van het vliegwiel groter gemaakt worden of moet de snelheid (en dus het toerental) van het vliegwiel groter worden.
Een belangrijke technische beperking van de opslag van een vliegwiel is de benodigde middelpuntzoekende kracht. Vroeger waren vliegwielen van staal, maar moderne vliegwielen zoals deze Texaanse worden van veel sterkere composietmaterialen gemaakt.
e) Leg met behulp van de formule voor de middelpuntzoekende kracht uit waarom een sterker composietmateriaal betekent dat er meer energie kan worden opgeslagen.
Voor de middelpuntzoekende kracht geldt: Fmpz = mv2/r. In een sterker composietmateriaal zijn hogere trekkrachten mogelijk zonder dat het wiel stuk gaat. Deze hogere trekkracht betekent ook dat een hogere middelpuntzoekende kracht mogelijk is. Hierdoor kunnen, bij een gelijkblijvende diameter van het vliegwiel, de massa en de snelheid van het vliegwiel groter gemaakt worden.
Een accu verliest in een periode van 5 uur veel minder dan 10% van z’n opgeslagen energie. Toch zijn vliegwielen zeker interessant om jarenlang dagelijks overtollige energie van zonnepanelen en windmolens op te slaan.
f) Geef hiervoor een natuurkundige reden.
Iedere keer als een accu wordt opgeladen en weer ontladen, verliest deze een beetje van z’n capaciteit. Een vrij draaiend vliegwiel ondervindt maar weinig slijtage en houdt zo langdurig z’n opslagcapaciteit.
